ARM9平台下的CMOS图像传感器工作原理及数据采集系统

引言

随着CMOS(互补金属氧化物半导体)技术的发展及市场需求的增加，CMOS图像传感器得以迅速发展。由于采用了CMOS技术，可以将像素阵列与外围支持电路(如图像传感器核心、单一时钟、所有的时序逻辑、可编程功能和A／D转换器)集成在同一块芯片上。与CCD(电容耦合器件)图像传感器相比，CMOS图像传感器将整个图像系统集成在一块芯片上，具有体积小、重量轻、功耗低、编程方便、易于控制等优点，因此，CMOS图像传感器的应用已经变得越来越广泛。

但是，目前市场上的大部分基于CMOS图像传感器的图像采集系统都是采用DSP与图像传感器相连，由DSP来控制图像传感器，然后由DSP采集到图像后再通过USB接口将图像数据传输到PC机进行后续的处理。这样的图像采集系统成本较高，功耗大，而且体积上也有一定的限制，并不适合一些简单的应用。

本文设计了一种基于S3C2410的CMOS图像传感器数据采集系统。该系统成本更为低廉、结构更为简单、设计更为新颖。

1 CMOS图像传感器结构性能及工作原理

该系统选用OmniVision公司的OV7141黑白CMOS数字图像传感器。OV7620是一款单片VGA模式黑白数字像机芯片，具有640×480=307 200像素，最高可以30帧／s的速度输出数字图像数据。具有高灵敏度、宽动态范围、抗开花、零光晕等特点，所有的图像特性参数如曝光量、增益、白平衡、帧频、输出图像数据格式、图像时序信号极性、窗口大小及位置等，都可以通过SCCB接口进行设置，并可立刻生效。

OV7141的主要特性参数如下：图像尺寸为3.6 mm×2.7 mm；像素尺寸为5.6μm×5.6μm；像素数为640×480像素(VGA)，320×240像素(QVGA)；信噪比>46 dB；最小照度为3.0 V／(Lux·s)；暗电流为30 mV／s；动态范围为62 dB；电源为DC 3.3 V和DC 2.5V；功耗为40 mW(工作)，30μA(休眠)。

CMOS镜像阵列的设计主要建立在逐行传送的扫描场读出系统和带同步像素读出电路的电子快门之上。而电子曝光控制算法(或系统规则)则建立在整个图(物)像亮度基础之上。在景像(或布景)正常时，一般曝光都比较理想。但在景像光线不适当时，则应通过AEC(自动曝光控制)白／黑比调节来使其满足应用要求。图像采集窗口可以任意设定，数据输出方式可以选择逐行工作模式或隔行工作模式。OV7141内部嵌入了一个8位A／D转换器，因而可以同步输出8位的数字视频流D[7…0]。在输出数字视频流的同时，还可提供像素同步时钟PCLK，水平参考信号HREF以及帧同步信号VSYNC，以方便外部电路读取图像。像素数据输出与PCLK、HREF、VSYNC的时序关系如图1和图2所示。

2 S3C2410简介

Samsung公司推出的16／32位RISC处理器S3C2410，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。为了降低整个系统的成本，S3C2410提供了以下丰富的内部设备：分开的指令Cache和数据Cache，内带MMU、LCD控制器(支持STNTFT)，支持NAND Flash系统引导，系统管理器(片选逻辑和SDRAM控制器)，3通道UART，4通道DMA(直接存储器存取)，4通道PWM(脉宽调制)定时器，I／O端口，RTC，8通道10位A／D转换器和触摸屏接口，IIC-BUS接口，USB主机，USB设备，SD主卡和MMC卡接口，2通道的SPI以及内部PLL(锁相环)时钟倍频器。

3 CMOS图像传感器与控制器接口电路设计

接口电路的设计主要应考虑CMOS图像传感器与控制器S3C2410的数据输出电路接口、控制电路接口以及IIC总线接口。

3.1 数据接口模块

由于CMOS图像传感器的每一个成像单元像DRAM内存的存储单元一样被单独编址，且OV7141内部嵌入了一个8位A／D转换器，因而可以同步输出8位的数字视频流D[7…0]。因此，与其数据线连接就和DRAM一样，将数据线和S3C2410的数据总线直接连接即可。线路连接如图3所示。

但CMOS图像传感器也有与内存不同的地方：内存在计算机系统中总是作为一个从设备来对待，只有控制器对其进行读写操作时它才打开数据总线，其他时刻为断开状态(高阻态)；而OV7141图像传感器一旦开始采集图像数据，它根本不管系统中的主控制器是否对其进行读写操作，总是按照它自己的时序向其数据总线输出数据，这样就可能造成数据总线的冲突问题。为了避免这种总线冲突问题，需要在系统控制器的数据总线与OV7141图像传感器的数据总线之间接入一个具有三态功能的总线驱动器，该驱动器的使能端／OE由S3C2410的存储器单元片选信号nGCS1来选通，这样，控制器S3C2410对图像传感器的读写就如同读写内存一样。

3.2 控制接口模块

当CMOS图像传感器工作于逐行扫描方式时，在输出一帧同步信号后将输出一帧的数据，在每一行数据前也会输出